王藝霖 楊飛燕 劉芷程 王玉龍

摘要：本文以高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)為原則，建構(gòu)了高中人工智能課程教學(xué)流程，并基于真實(shí)生活情境，以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)為主線，以機(jī)器視覺為核心內(nèi)容，以Python為編程語(yǔ)言，設(shè)計(jì)了一款智能溫控裝置，以期為一線教師的人工智能課程教學(xué)與實(shí)踐提供參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：人工智能;課例設(shè)計(jì);機(jī)器視覺;智能溫控;流程構(gòu)建

中圖分類號(hào)：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 論文編號(hào)：1674-2117（2022）09-0043-04

● 引言

2018年教育部印發(fā)《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》，明確要求要完善課程方案和課程標(biāo)準(zhǔn)，使中小學(xué)人工智能和編程課程內(nèi)容能充分適應(yīng)信息時(shí)代、智能時(shí)代發(fā)展需要。[1]因此，本研究在傳統(tǒng)人工智能課程教學(xué)的基礎(chǔ)上，對(duì)高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)中的“人工智能初步”選修模塊的一個(gè)案例進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，具體實(shí)踐如下。

● 教學(xué)設(shè)計(jì)流程

本研究以解決實(shí)際問題為導(dǎo)向，依托項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，在真實(shí)情境的基礎(chǔ)上進(jìn)行人工智能課程的案例設(shè)計(jì)。具體內(nèi)容包括提出問題、制訂方案、探究實(shí)踐、交流展示及教學(xué)評(píng)價(jià)五個(gè)流程，每個(gè)流程都設(shè)計(jì)了教師和學(xué)生的活動(dòng)（如圖1）。

1.提出問題

本階段教師活動(dòng)主要是對(duì)學(xué)生進(jìn)行學(xué)情分析，了解學(xué)生的認(rèn)知水平和身心發(fā)展特點(diǎn)，創(chuàng)設(shè)一個(gè)聯(lián)系學(xué)生生活實(shí)際、有利于學(xué)生進(jìn)行知識(shí)建構(gòu)的情境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生確定主題。學(xué)生活動(dòng)主要是在教師創(chuàng)設(shè)的情境下了解要解決的問題，在原有的認(rèn)知基礎(chǔ)上進(jìn)行知識(shí)建構(gòu)，從而選定項(xiàng)目主題，擬定一個(gè)大致計(jì)劃，培養(yǎng)學(xué)生積極思考的能力。

整個(gè)流程搭建圍繞教師活動(dòng)和學(xué)生活動(dòng)展開，并以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)為核心，從提出問題、制訂方案、探究實(shí)踐、交流展示、教學(xué)評(píng)價(jià)五個(gè)階段進(jìn)行設(shè)計(jì)。目的在于培養(yǎng)學(xué)生編程思維、計(jì)算思維、創(chuàng)新思維等高階思維能力，發(fā)展核心素養(yǎng)。

2.制訂方案

本階段教師活動(dòng)主要是啟發(fā)引導(dǎo)，進(jìn)而幫助學(xué)生更好地進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)。本階段學(xué)生活動(dòng)主要是對(duì)學(xué)習(xí)任務(wù)進(jìn)行分析，梳理思路，之后進(jìn)行小組合作，確定各小組成員的分工，積極思考制訂初步的行之有效的方案。

3.探究實(shí)踐

本階段教師活動(dòng)主要是巡回指導(dǎo)，幫助學(xué)生解決在學(xué)習(xí)過程中遇到的困難。學(xué)生活動(dòng)主要是進(jìn)行小組交流合作，完成代碼編寫，對(duì)所寫代碼進(jìn)行測(cè)試分析，發(fā)現(xiàn)不足進(jìn)行優(yōu)化迭代。這個(gè)過程有利于培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維及代碼編寫能力，同時(shí)還可以幫助學(xué)生進(jìn)行反思，提高動(dòng)手操作能力和協(xié)作能力。

4.交流展示

本階段教師活動(dòng)主要是對(duì)學(xué)生所展示的成果進(jìn)行客觀性評(píng)價(jià)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神，使學(xué)生樂于學(xué)習(xí)。學(xué)生活動(dòng)主要是對(duì)成果進(jìn)行展示，小組之間進(jìn)行互評(píng)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，交流反思，提高自己的溝通協(xié)作能力和養(yǎng)成良好的反思的習(xí)慣，增強(qiáng)信息意識(shí)。

5.教學(xué)評(píng)價(jià)

本階段教師活動(dòng)主要是對(duì)整個(gè)項(xiàng)目式的學(xué)習(xí)進(jìn)行總結(jié)評(píng)價(jià)，目的在于幫助學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行評(píng)估指導(dǎo)，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)自我和提高自信。學(xué)生活動(dòng)主要是對(duì)自己的項(xiàng)目進(jìn)行自我評(píng)價(jià)與相互評(píng)價(jià)，自我評(píng)價(jià)有利于學(xué)生對(duì)自我進(jìn)行有效的反思，從而認(rèn)清自己的優(yōu)點(diǎn)和不足，在改進(jìn)的過程中相互學(xué)習(xí)，不斷進(jìn)步?；ピu(píng)是指學(xué)生群體之間的相互評(píng)價(jià)、學(xué)習(xí)，互評(píng)可以使學(xué)生更好地提高溝通表達(dá)能力。

● “基于機(jī)器視覺的智能溫控裝置”案例的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

該項(xiàng)目案例旨在體現(xiàn)人工智能課程三大應(yīng)用（自然語(yǔ)言、語(yǔ)音、圖像/視頻）之一的圖像/視頻技術(shù)應(yīng)用，使學(xué)生能夠在復(fù)雜的案例情境中切身體悟人工智能課程中圖像檢測(cè)與識(shí)別的原理和算法，實(shí)現(xiàn)高中信息技術(shù)新課標(biāo)的計(jì)算思維學(xué)科核心素養(yǎng)。

1.內(nèi)容分析

機(jī)器視覺系統(tǒng)是一種非接觸式的光學(xué)傳感系統(tǒng)[2]，是集成了光學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等的應(yīng)用系統(tǒng)。它可以自動(dòng)獲取一個(gè)或多個(gè)物體和過程的圖像，分析和測(cè)量獲取的圖像的各種特征，根據(jù)測(cè)量結(jié)果，進(jìn)行定性分析和定量解釋，從而獲得一些關(guān)于目標(biāo)物體的知識(shí)并做出相應(yīng)決策。機(jī)器視覺系統(tǒng)一般具有物體定位、特征檢測(cè)、缺陷判斷、目標(biāo)識(shí)別、計(jì)數(shù)和運(yùn)動(dòng)跟蹤等功能。[3]

2.案例設(shè)計(jì)背景

在魚類的生命活動(dòng)中，可以通過判斷魚本身的行為來判斷水溫的變化。由于魚類的養(yǎng)殖過程里存在一些無法消除的條件阻礙，如光照、水質(zhì)等，因此機(jī)器視覺技術(shù)為監(jiān)測(cè)魚類的行為提供了很好的技術(shù)支持。本案例貼近中小學(xué)生的生活，教師可以通過家庭中的魚缸的溫度控制進(jìn)行情境創(chuàng)設(shè)，研究溫度過高或過低時(shí)斑石雕的行為識(shí)別。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度過高時(shí)斑石雕的游動(dòng)速度會(huì)明顯加快，當(dāng)溫度過低時(shí)斑石雕的游動(dòng)速度會(huì)降低甚至不動(dòng)。因此，本系統(tǒng)重點(diǎn)是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之后對(duì)視頻中目標(biāo)魚進(jìn)行行為識(shí)別。本實(shí)驗(yàn)是通過采集實(shí)驗(yàn)室里養(yǎng)殖的斑石雕的視頻數(shù)據(jù)作為研究數(shù)據(jù)的，干擾因素較多，魚缸水面會(huì)有波動(dòng)，背景里存在傳感器、加熱棒等裝置，會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生干擾，所以使用Python程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，采取MeanShift算法對(duì)斑石雕進(jìn)行跟蹤，減少外界環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，較好地追蹤斑石雕。實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示。

3.案例實(shí)現(xiàn)

（1）Meanshift算法原理

教師首先講解算法原理，Meanshift算法的主要思想是計(jì)算當(dāng)前像素點(diǎn)的平均偏移量，然后以當(dāng)前像素點(diǎn)作為另一個(gè)起始點(diǎn)，按照上述方法繼續(xù)移動(dòng)，直到滿足一定的終止條件。該算法在本系統(tǒng)中的應(yīng)用是采用以運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的顏色直方圖，然后一直迭代Meanshift向量，使算法逐漸趨向于目標(biāo)的實(shí)際位置，即先將圖像進(jìn)行RGB顏色空間轉(zhuǎn)換到HSV處理，然后作直方圖，歸一化處理之后計(jì)算反向投影。算法流程圖如圖3所示。

學(xué)生通過教師講解的算法，并根據(jù)教師創(chuàng)設(shè)的情境與問題進(jìn)行積極思考并設(shè)計(jì)算法，這一過程鍛煉了計(jì)算思維和自我學(xué)習(xí)能力，教師只負(fù)責(zé)指導(dǎo)，學(xué)生真正成為學(xué)習(xí)的主體。

（2）行為識(shí)別過程及其關(guān)鍵算法

①導(dǎo)入cv2、numpy、imutils、datetime、easygui模塊。

②讀取視頻，進(jìn)行圖像處理。這一步需要對(duì)幀預(yù)處理，每幀圖像先轉(zhuǎn)為灰度圖，再用高斯濾波對(duì)圖像進(jìn)行處理，避免亮度、震動(dòng)等參數(shù)微小變化影響效果。

（3）目標(biāo)追蹤過程及關(guān)鍵算法

①取輪廓并計(jì)算輪廓的質(zhì)心，即確定目標(biāo)運(yùn)動(dòng)過程中的位置，方便下一步計(jì)算速度。

②讀取第一幀圖像，設(shè)置所要追蹤的ROI，轉(zhuǎn)換為HSV色彩空間，計(jì)算每一幀的HSV圖像，用MeanShift算法在dst中尋找目標(biāo)窗口，找到后返回目標(biāo)窗口，代碼如圖如4所示。

（4）計(jì)算速度

①計(jì)算質(zhì)心，代碼如圖5所示。

②利用歐式距離計(jì)算速度，代碼如圖6所示。

（5）行為識(shí)別

①通過調(diào)用plt.plot來畫速度變化圖，橫軸縱軸兩個(gè)參數(shù)即可。

②進(jìn)行速度識(shí)別，溫度過高或過低則進(jìn)行警告。

4.設(shè)計(jì)過程與結(jié)果分析

基于機(jī)器視覺的智能溫控裝置的外部裝置是將魚放在一個(gè)透明玻璃缸中，在玻璃缸外部架設(shè)一部攝像機(jī)記錄魚缸中魚的活動(dòng)。同時(shí)，玻璃缸里放置有傳感器、加熱棒、溫度計(jì)以及氧氣裝置。水是經(jīng)過過濾的適合實(shí)驗(yàn)魚生存的優(yōu)質(zhì)海水，持續(xù)供氧以保證溶解氧均衡，使溫度成為唯一變量，從而減少了外部不相干因素對(duì)魚的行為活動(dòng)的影響，增加實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性和可靠性。

實(shí)驗(yàn)算法是建立在計(jì)算機(jī)視覺庫(kù)python-opencv基礎(chǔ)上的，首先讀取視頻路徑，讀取視頻的每一幀，框選出所要跟蹤的目標(biāo)，對(duì)目標(biāo)圖像進(jìn)行HSV轉(zhuǎn)換、計(jì)算直方圖、歸一化等處理，利用MeanShift算法跟蹤矩形框，算法運(yùn)行結(jié)果如圖7所示。之后計(jì)算矩形框的質(zhì)心，獲取相鄰兩幀之間的目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)，通過歐式距離計(jì)算出速度變化，從而判斷斑石雕是否發(fā)生了狂游行為或者運(yùn)動(dòng)遲緩表現(xiàn)。圖8、圖9分別為溫度過高時(shí)速度變化情況和溫度過低時(shí)速度變化情況。

由結(jié)果可以看出，斑石雕的運(yùn)動(dòng)速度發(fā)生了明顯變化，表明此刻的溫度是異常的，應(yīng)及時(shí)調(diào)整溫度。在系統(tǒng)中當(dāng)速度大于230時(shí)或速度小于100時(shí)則發(fā)生警告。結(jié)果如圖10所示。

● 結(jié)語(yǔ)

在新課程標(biāo)準(zhǔn)下，高中信息技術(shù)課程提倡基于問題情境的項(xiàng)目式教學(xué)，教學(xué)過程中涉及的教學(xué)方法如案例教學(xué)法和問題驅(qū)動(dòng)法等對(duì)項(xiàng)目案例資源的需求較高。筆者希望此案例能夠幫助學(xué)生在掌握人工智能的基本理論和方法的同時(shí)，培養(yǎng)計(jì)算思維和解決實(shí)際問題的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝忠新，曹楊璐，李盈.中小學(xué)人工智能課程內(nèi)容設(shè)計(jì)探究[J].中國(guó)電化教育，2019（04）：17-22.

[2]劉金橋，吳金強(qiáng).機(jī)器視覺系統(tǒng)發(fā)展及其應(yīng)用[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2010（01）：215-216.

[3]張暉，張欣，胡琳.基于5G的工業(yè)機(jī)器視覺發(fā)展趨勢(shì)與政策建議[J].智能制造，2021（02）：28-32.

作者簡(jiǎn)介：王藝霖，佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院人文與教育學(xué)院，研究方向?yàn)榧夹g(shù)支持的教與學(xué);王玉龍，佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院人文與教育學(xué)院，副教授，研究方向?yàn)榻虒W(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、智慧教育環(huán)境構(gòu)建等。